CN207526530U - 一种燃气涡轮发动机的高效冷却叶片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种燃气涡轮发动机的高效冷却叶片，包含叶身、端壁和榫头，叶身呈中空柱体，包含压力面和吸力面；叶身内从叶片前缘至叶片尾缘依次设有第一至第三桥接梁，将叶身内部分割为气腔、第一至第三通道；吸力面上设有和气腔相通的第一异形气膜孔；压力面上设有和气腔相通的第二异形气膜孔、和第二通道相通的第三异形气膜孔、和第三通道相通的第四异形气膜孔；第一桥接梁上设有冲击射流孔；叶片前缘上设有喷淋孔；气腔、第二通道和第三异形气膜孔的连接通道、第三通道和第四异形气膜孔的连接通道内均设有换热结构。本实用新型在对叶片实施高效内部冷却的同时，发挥了换热结构对冷却气流流动的扰动作用，增强了气膜冷却的防护效果。
Description
技术领域
本实用新型涉及航空、航天、动力机械等高热流密度的局部换热领域，尤其涉及一种燃气涡轮发动机的高效冷却叶片。
背景技术
在现代高性能燃气涡轮发动机中,提高涡轮进口温度是增加推重比,降低油耗率的有效措施。但是随着涡轮进口处燃气温度的提高,涡轮叶片的热负荷将不断增大。现代燃气涡轮发动机的涡轮进口处温度可达1900K,己超出了现有金属材料的允许使用温度,所以只有对涡轮叶片进行有效的冷却,使工作状态下涡轮叶片温度降低,才能使其正常安全地工作,并满足一定的寿命要求。此外，涡轮叶片(工作叶片)在高转速下工作时，处于非常高的离心场当中。在气动力、热应力以及巨大的离心力的共同作用下，叶片既需要足够的冷却，也需要保持在较高的强度水平上。
在现代涡轮叶片上，已基本形成了由内部冷却、外部冷却和热障涂层三个部分组成的综合冷却方式。外部冷却多采用气膜冷却和热障涂层结合的方式，内部冷却则采用对流、冲击冷却，多折弯带肋通道，带扰流柱通道等冷却结构。近年来, 针对气膜冷却的结构优化国内外开展了一系列的探索研究，发展出了如缝形孔、簸箕形孔、扇形孔、新月形孔以及锥形孔等多种多样的结构形式。此外，大量的已有研究表明，在内部冷却通道中增加粗糙肋以及扰流柱很大程度地提高了内部冷却通道的换热效果。
叶片前缘常采用冲击加气膜冷却的方式进行热防护，尾缘则采用扰流柱加劈缝出流等技术。在叶片中部，由于气动损失方面的考虑，往往采用较少气膜出流，形成了一块温度相对较高的区域。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是针对背景技术中涡轮叶片表面热负荷过高、威胁到燃气涡轮发动机的安全稳定运行的缺陷，提供一种燃气涡轮发动机的高效冷却叶片。
本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种燃气涡轮发动机的高效冷却叶片，包含依次连接的叶身、端壁和榫头，所述榫头用于和所述涡轮盘连接；
所述叶身呈中空柱体，包含压力面和吸力面；
所述压力面和吸力面均呈弧面，其中，吸力面设置在压力面外，且吸力面的两侧分别和压力面的两侧连接，形成叶片前缘和叶片尾缘；
所述叶身内从叶片前缘至叶片尾缘依次设有第一至第三桥接梁，且所述第一至第三桥接梁均沿叶身伸展方向设置；
所述第一桥接梁呈弧面、沿着所述叶片前缘设置，和叶片前缘之间形成狭长的气腔；
所述第一至第三桥接梁将叶身内气腔以外的空间分割为第一通道、第二通道和第三通道；
所述端壁、榫头中沿叶身伸展方向依次设有通向第一通道、第二通道、第三通道的通孔；
所述吸力面在靠近叶片前缘处设有和所述气腔相通的第一气膜孔；
所述压力面在靠近叶片前缘处设有和所述气腔相通的第二气膜孔、在靠近叶片尾缘处设有和所述第三通道相通的第四气膜孔、在第二气膜孔和第四气膜孔之间设有和所述第二通道相通的第三气膜孔；
所述第一桥接梁上均匀设有若干和所述气腔相通的冲击射流孔；
所述叶片前缘上均匀设有若干和所述气腔相通的喷淋孔；
所述气腔内、第二通道和第三气膜孔的连接通道内、第三通道和第四气膜孔的连接通道内均设有换热结构。
作为本实用新型一种燃气涡轮发动机的高效冷却叶片进一步的优化方案，所述吸力面上还设有和所述第二通道相通的第五气膜孔、和第三通道相通的第六气膜孔，且所述第二通道和第五气膜孔的连接处、第三通道和第六气膜孔的连接处均设有换热结构。
作为本实用新型一种燃气涡轮发动机的高效冷却叶片进一步的优化方案，所述换热结构包含若干设置在两个相对表面上的肋片，处于同一表面上的肋片均平行，且每个肋片和经过两个表面之间气体流动的方向之间的夹角均在30°到70°之间。
作为本实用新型一种燃气涡轮发动机的高效冷却叶片进一步的优化方案，所述两个相对表面肋片之间的夹角小于等于90°。
作为本实用新型一种燃气涡轮发动机的高效冷却叶片进一步的优化方案，所述两个相对表面上肋片横截面的水力直径与肋间距之比的范围均为0.25～1、肋片横截面的水力直径与肋高之比的范围均为0.4～1.2,肋高与两个相对表面之间的距离之比的范围均为0.5～1，其中一个表面上的肋片嵌入另一个表面上对应的肋片。
本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1. 换热结构使得在其中流动的冷却流体上下穿梭，对通道的上下表面和肋片进行冲击，大大提高了这部分的换热效果；
2. 换热结构下游的气膜孔有助于提高下游气膜的贴壁性以及延展性，以实现对叶片表面更好的热防护效果；
3. 本实用新型在对叶片实施高效内部冷却的同时，发挥了换热结构对冷却气流流动的扰动作用，使得吹出的气膜均匀，可避免气膜孔下游气膜温度不均导致的局部高温现象，增强了气膜冷却的防护效果。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是本实用新型中叶片的结构示意图；
图3是本实用新型中叶片的剖面示意图；
图4是本实用新型中换热结构的一种结构示意图；
图5是本实用新型中换热结构的另一种结构示意图。
图中，1-叶身，2-端壁，3-榫头，4-叶尾，5-涡轮盘中心线，6-叶尖，7-压力面，8-吸力面，9-叶片前缘，10-叶片尾缘，11-第一桥接梁，12-第二桥接梁，13-第三桥接梁，14-第一通道，15-第二通道，16--第三通道，17-气腔处的换热结构，18-叶片前缘内壁上的肋片，19-第一桥接梁上的肋片，20-喷淋孔，21-冲击射流孔，22-第二通道和第三气膜孔的连接处的换热结构，23-第三通道和第四气膜孔的连接处的换热结构，24-气腔，25-第二气膜孔，26-第一气膜孔，27-第三气膜孔，28-第四气膜孔。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：
如图1和图2所示，本实用新型公开了一种燃气涡轮发动机的高效冷却叶片，包含依次连接的叶身、端壁和榫头，所述榫头用于和所述涡轮盘连接；
所述叶身呈中空柱体，包含压力面和吸力面；
所述压力面和吸力面均呈弧面，其中，吸力面设置在压力面外，且吸力面的两侧分别和压力面的两侧连接，形成叶片前缘和叶片尾缘；
所述叶身内从叶片前缘至叶片尾缘依次设有第一至第三桥接梁，且所述第一至第三桥接梁均沿叶身伸展方向设置；
所述第一桥接梁呈弧面、沿着所述叶片前缘设置，和叶片前缘之间形成狭长的气腔；
所述第一至第三桥接梁将叶身内气腔以外的空间分割为第一通道、第二通道和第三通道；
所述端壁、榫头中沿叶身伸展方向依次设有通向第一通道、第二通道、第三通道的通孔；
所述吸力面在靠近叶片前缘处设有和所述气腔相通的第一气膜孔；
所述压力面在靠近叶片前缘处设有和所述气腔相通的第二气膜孔、在靠近叶片尾缘处设有和所述第三通道相通的第四气膜孔、在第二气膜孔和第四气膜孔之间设有和所述第二通道相通的第三气膜孔；
所述第一桥接梁上均匀设有若干和所述气腔相通的冲击射流孔；
所述叶片前缘上均匀设有若干和所述气腔相通的喷淋孔；
所述气腔内、第二通道和第三气膜孔的连接通道内、第三通道和第四气膜孔的连接通道内均设有换热结构。
涡轮盘中心线作为轴向参考线，榫头沿径向插入，沿着涡轮盘周向安装一圈涡轮叶片。叶身从端壁上的叶尾开始沿轴向拉伸至叶尖。运行期间，高温燃气冲击叶片，从压缩机引入的空气从榫头下部进入，流进叶片内部的第一至第三通道、向叶片提供冷却气体。
所述吸力面上还可以再设有和所述第二通道相通的第五气膜孔、和第三通道相通的第六气膜孔，且所述第二通道和第五气膜孔的连接处、第三通道和第六气膜孔的连接处均设有换热结构。
所述换热结构包含若干设置在两个相对表面上的肋片，处于同一表面上的肋片均平行，且每个肋片和经过两个表面之间气体流动的方向之间的夹角均在30°到70°之间。
所述两个相对表面肋片之间的夹角小于等于90°。
所述两个相对表面上肋片横截面的水力直径与肋间距之比的范围均为0.25～1、肋片横截面的水力直径与肋高之比的范围均为0.4～1.2,肋高与两个相对表面之间的距离之比的范围均为0.5～1，其中一个表面上的肋片嵌入另一个表面上对应的肋片。
来自压气机的冷却空气经由进第一通道引入，并通过冲击射流孔吹入气腔。在对叶片前缘实施冲击冷却之后，这部分气流在气腔中进行分配，一部分流向叶片前缘处的喷淋孔，剩下的则分别向两侧扩散，冲刷气腔两侧的换热结构。经过气腔两侧的换热结构的冷却气流分别从压力面上的第二气膜孔和吸力面上的第一气膜孔吹出，对下游壁面进行气膜冷却。可以看到，气腔两侧的换热结构处两个相对表面之间的距离沿冷气流向逐渐减小，这使得冷却气体流速升高以达到强化换热的目的。
图3为沿图2的视线a-a的剖视展开图，从图中可以看出：从冲击射流孔喷出的冷却空气在气腔两侧的换热结构间上下穿梭，最终从第一、第二气膜孔喷出，对下游壁面实施气膜冷却。需要注意的是，附图中所示的气膜孔仅以缝形气膜孔作为代表。
如图4、图5所示，本实用新型给出了两种换热结构的结构示意图，图中所示的肋片截面为矩形截面。
第一至第三通道分别向叶片前缘、叶身中部、叶片尾缘附近区域提供冷却气流。第二通道、第三通道分别对应第三气膜孔、第四气膜孔，冷却气体分别从第三气膜孔、第四气膜孔吹出对下游壁面实施气膜冷却。第二通道和第三气膜孔的连接通道内、第三通道和第四气膜孔的连接通道内均设有换热结构。
可以把第三通道和第四气膜孔之间的连接通道设计成在压力面和吸力面之间、延伸至叶片尾缘的狭长通道，使其对该区段的压力面和吸力面进行内部冷却，然后从第四气膜孔喷出，对尾缘区域形成保护。
本实用新型所述的由网格状内部冷却通道及下游气膜孔组合而成的高效冷却结构，可以用于对涡轮发动机动叶片的热防护，也可用于静叶片或任何其他需要热防护的热端部件，以提高发动机效率及延长热端部件的使用寿命。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种燃气涡轮发动机的高效冷却叶片，其特征在于，包含依次连接的叶身、端壁和榫头，所述榫头用于和涡轮盘连接；
所述叶身呈中空柱体，包含压力面和吸力面；
所述压力面和吸力面均呈弧面，其中，吸力面设置在压力面外，且吸力面的两侧分别和压力面的两侧连接，形成叶片前缘和叶片尾缘；
所述叶身内从叶片前缘至叶片尾缘依次设有第一至第三桥接梁，且所述第一至第三桥接梁均沿叶身伸展方向设置；
所述第一桥接梁呈弧面、沿着所述叶片前缘设置，和叶片前缘之间形成狭长的气腔；
所述第一至第三桥接梁将叶身内气腔以外的空间分割为第一通道、第二通道和第三通道；
所述端壁、榫头中沿叶身伸展方向依次设有通向第一通道、第二通道、第三通道的通孔；
所述吸力面在靠近叶片前缘处设有和所述气腔相通的第一气膜孔；
所述压力面在靠近叶片前缘处设有和所述气腔相通的第二气膜孔、在靠近叶片尾缘处设有和所述第三通道相通的第四气膜孔、在第二气膜孔和第四气膜孔之间设有和所述第二通道相通的第三气膜孔；
所述第一桥接梁上均匀设有若干和所述气腔相通的冲击射流孔；
所述叶片前缘上均匀设有若干和所述气腔相通的喷淋孔；
所述气腔内、第二通道和第三气膜孔的连接通道内、第三通道和第四气膜孔的连接通道内均设有换热结构。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机的高效冷却叶片，其特征在于，所述吸力面上还设有和所述第二通道相通的第五气膜孔、和第三通道相通的第六气膜孔，且所述第二通道和第五气膜孔的连接处、第三通道和第六气膜孔的连接处均设有换热结构。
3.根据权利要求1或2所述的燃气涡轮发动机的高效冷却叶片，其特征在于，所述换热结构包含若干均匀设置在两个相对表面上的肋片，处于同一表面上的肋片均平行，且每个肋片和经过两个表面之间气体流动的方向之间的夹角均在30°到70°之间。
4.根据权利要求3所述的燃气涡轮发动机的高效冷却叶片，其特征在于，所述两个相对表面肋片之间的夹角小于等于90°。
5.根据权利要求4所述的燃气涡轮发动机的高效冷却叶片，其特征在于，所述两个相对表面上肋片横截面的水力直径与肋间距之比的范围均为0.25～1、肋片横截面的水力直径与肋高之比的范围均为0.4～1.2、肋高与两个相对表面之间的距离之比的范围均为0.5～1，其中一个表面上的肋片嵌入另一个表面上对应的肋片。
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